Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Temperatur von in Längsrichtung bewegten fadenartigen Gebilden
Bei verschiedenen Prozessen in der Textilindustrie und insbesondere bei der Verarbeitung von Fäden aus synthetischem Material ist es wichtig, die genaue Temperatur eines bewegten Fadens zu kennen.
Schon bei dem Schmelzsp-. nnverfahren möchte man den Temperaturverlauf der Fäden am Ausgang der Spinndüsen messen können; ferner will man bei den Streckmaschinen, bei denen der Faden vor dem Strecken zunächst aufgeheizt wird, die Temperatur des Fadens überwachen können, und sohliesslich bei dem Kräu selverfahren n nach der Faischzwirnmethode, bei wei- cher der Faden aufgeheizt wird, während er mibte's eines Dral : lgebers hochgedreht wird, möchte man die Temperatur des Fadens bei laufender Maschine überwachen können. Verschiedene Methoden zur Tempe raLurmessung mithilfe von feinen Sonden, die den Fadens berühren, sind bekannt.
In den meisten Fällen ist jedoch die Berührung des Fadens durch ein frem de, Element ein Nachteil, indem der Faden beschädigt oder der Lauf eines bestimmten Vorganges gestört wird. Gegenüber diesen Berührungsverfahren ist ein strahlungspyrometrisches berührungsloses Tempera tunnessverfahren wesentlich vorteilhafter.
Es ist bekamt, die Temperatur von Objekten durch Messung der Intensität der von ihnen ausgesendeten Infrarot-Strahlung zu messen. Im Bereich der Temperaturen zwischen 500 und 3000 C, wie sie für Texilft'den insbesondere sollche aus synthetischem Matenal in Betracht kommen, findet praktisch keine Emission von Strahlung im sichtbaren Bereich statt, so dass man auf eine Messung im infraroten Strah lungsbereichvorzugsweise im sogenannten mittleren Wellenlängenbereich - angewiesen ist.
Praktisch zeigt es sich, dass alle Textilmaterialien, Kunststoffe, Lacke und ähnliche organische Produkte, in Wellenlängenbereich zwischen 5 und 8 W starke Emission aufweisen, was für eine Temperaturmessung für den genannten Temperaturbereich sehr günstig ist. Es sind zweierlei Arten bekannt, die Temperatur von ausgedehnten Objekten zu messen: entweder hierbei wird ein Gerät mit einer fokussierenden Optik verwendet, bei welcher das Objekt auf dem Detektor für den gewünschten Wellenlängenbereich optisch abgebildet wird, oder es wird, speziell bei grösseren flächenhaften Objekten, ein nicht-fokussiereies Gerät verwendet, bei welchem ein Strahlungsdetektor in der Nähe der emittierten Fläche so angeordnet ist, dass er die zu messende Fläche unter einem verhältnismässig grossen Raumwinkel vor sich hat.
Für die Messung der Fadentemperatur in der Höhe von 2000 C auf einer Textilmaschine, bei welcher der Faden ausser einer raschen Bewegung in Längsrichtung transversale Schwingungen um eine Gleichgewichtslage ausführen kann, mit Amplituden, die das mehr als Zehnfache seines Eigendurchmessers betragen, kann keine der bekannten Methoden erfolgreich angewendet werden. Bei einem fokussierenden Instrument bestehen grosse Schwierigkeiten, den bewegten Faden auf einem Detektor abzubilden; andererseits ist bei dem nicht-fokussierenden Gerät die von dem Detektor aufgefangene Strahlungsintensität im Falle eines Fadens zu schwach.
Die Erfindung bezweckt die Nachteile der bekannten Methoden zu vermeiden und betrifft dementsprechend ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Temperatur von in Längsrichtung bewegten fadenartigen Gebilden auf strahlungspyrometrischem Wege. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das fadenartige Gebilde durch einen auf der Innenseite reflektierenden, einen Strah lungsempfänger enthaltenden Hohlkörper geführt wird, wobei der Hohlkörper das fadenartige Gebilde so umschliesst, dass der Strahlungsempfänger einen wesentlichen Teil der vom letzteren auf der eingeschlossenen Länge emittierten und innerhalb des Hohlkörpers reflektierten Wärmestrahlung aufnimmt.
Das fadenartige Gebilde kann durch einen Hohlkörper mit einer Einführvorrichtung geführt werden, wobei es mit Hilfe der letzteren gegenüber dem Strahlungsempfänger in eine die volle strahlungsreflektierende Wirkung gewährleistende Stellung gebracht wird. Es kann z. B. ein mit einem aufklappbaren Teil versehener Hohlkörper verwendet werden, welcher um das sich kontinuierlich in seiner Längsrichtung bewegende fadenartige Gebilde herum angeordnet wird, ohne dasselbe in seiner Bewegung zu stören.
Die Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die aus einem auf der Innenseite reflektierenden Hohlkörper besteht, welcher Eine und Austrittsöffnungen für das fadenartige Gebilde und im Innern einen Strahlungsempfänger aufweist.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist nachstehend anhand der Zeichnung, die Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Vorrichtung darstellt, beispielsweise näher erläutert:
Fig. 1 zeigt dar erste Ausführungsbeispiel im Schnitt parallel zur Fadenachse.
Fig. 2 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel im vertikalen Mittellängsschnitt.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 2.
Fig. 4 zeigt in der gleichen Darstellung wie Fig. 2 das dritte Ausführungsbeispiel.
Fig. 5 zeigt einen Schnitt nach der Linie V-V in Fig. 4.
Die Vorrichtung gemäss Fig. 1 weist einen Hohlkörper auf, dessen Hohlraum kugelförmig und dessen Innenfläche 1 reflektierend ausgebildet ist. Der Hohlkörper ist mit zwei einander diametral gegenüberliegenden Öffnungen 2 bzw. 3 versehen. Mittig zwischen diesen ist an der Innenfläche 1 ein Strahlungsempfänger 4 angeordnet, der von einer strahlungsabsorbierenden Fläche 5 umgeben ist.
Zum Betrieb wird ein Textilfaden 6 durch die Eintrittsöffnung 2 in die Hohlkugel eingeführt und verlässt dieselbe durch die Austrittsöffnung 3. Die öffnungen 2 und 3 haben einen Durchmesser, der dem Faden 6 eine freie Schwingung mit der Amplitude 7 erlaubt.
Zur Abschätzung der Empfindlichkeit der Vorrichtung wird zunächst davon ausgegangen, dass der Hohlkörper keinerlei Fokussierung der Strahlung vom Faden auf den Detektor erzeugt, indem sein Hohlraum die Form einer difuse reflektierenden Kugel mit dem Radius r aufweist. Es wird eine statistische Bilanz der vom Faden emittierten Strahlung Io durchgeführt; eine solche statistiche Betrachtung hat natürlich nur Bedeutung zur Berechnung von Grössenordnungen.
I sei die totale Strahlung des Fadens innerhalb des Hohlkörpers nach Berücksichtigung der Reflektion, wie zie auf dem Strahlungsempfänger auffällt. Es kann nachgewiesen werden, dass für diese totale Strahlung folgende statistische Beziehung gilt:
Fd + Fp Fl.
1=1
V+Fp' aF Hierin bezeichnen: F(1 = die Fläche des Strahlungsempfängers die strahlungsabsorbierende Fläche Fr = die reflektierende Innenfläche des Hohlkör pers a = den Emissionskoeffizient der Fläche F,..
Diese Formel liefert das Mittel zur Berechnung der opttimalen Grösse der zu verwendenden Hohlkugel. Es gilt die Beziehung: F. > Fd,Fp.
Ferner gilt für F,. angenähert die Beziehung:
Fr = 4 ist r2.
Die vom Faden emittierte Intensität 1 ist andererseits proportional zur Länge des innerhalb des Hohlkörpers befindlichen Fadens, also proportional zu r. Aus diesem Zusammenhang kann ein optimaler Radius r0 der reflektierenden Innenfläche 1 des Hohlkörpers gefunden werden.
Fp+F rD 1/
47ra
Diese überschlagsmässige Rechnung gibt für jeden praktischen Fall ungefähr die optimalen Dimensionen des Hohlkörpers.
Für die Konstruktion der Vorrichtung ist allerdings die Eigenemission der reflektierenden Fläche 1 nicht zu vernachlässigen. Da es sich um eine Kugelfläche handelt, bei welcher in erster Annäherung die verschiedenen anderen Flächen vernachlässigt werden können, verhält sich die Oberfläche wie ein schwarzer Körper mit der Temperatur des Reflektors. In erster Annäherung kann z. B. im Falle derVerwendungeines thermischen Strahlungsempfängers gesagt werden, dass die vom Strahlungsempfänger aufgenommene Strahlungsleistung, aufgebracht im wesentlichen aus der Summe der Strahlung des Fadens und der viel grösseren Eigen strahlung der reflektierenden Fläche Fr im Gleichgewicht steht mit der vom Strahlungsempfänger selbst ausgesendeten Strahlung.
Es zeigt sich, dass der zur Messung ausschlaggebende Temperaturunterschied zwischen thermischem Strahlungsempfänger und Reflektor mit einer höheren Potenz einerseits von der Fadentemperatur, aber andererseits auch von der Reflektortemperatur abhängt. Die Temperatur der Reflektorfläche muss deshalb konstant gehalten werden, was dadurch erreicht werden kann, dass der Hohlkörper aus einem gut wärmeleitenden Metall hergestellt und zudem mit einer Temperatur sttabiiisierung versehen wird. Diese kann aus einem im Hohlkörper befindlichen Temperatur z. B. einem Bimetall, welcher mit einem Stellorgan, z. B. einem Kontakt einer Heizvorrichtung, z. B. einer elektrischnell Heizwicklung verbunden ist, bestehen.
Eine Verbesserung des Verhältnisses der Strahlungsintensität vom Faden zur Eigenstrahlung des Reflektors kann erzielt werden, indem eine gewisse Fokussierung der Strahlung vom Faden auf den Detektor vorgenommen wird. Eine scharfe Abbildung des Fadens auf die gesamte Detektorfläche muss vermieden werden, um eine gleichbleibende Empfindlichkeit des Gerätes zu gewährleisten, auch wenn sich der Faden innerhalb seines Bereiches seitlich bewegt.
Praktisch kann eine solche teilweise Fokussierung dadurch erreicht werden, dass dem Hohlkörperhohlraum die Form eines länglichen Rotationsellipsoids gegeben wird, bei welchem der Faden ungefähr in der Nähe des einen Brennpunktes und der Strahlungsempfänger im anderen Brennpunkt angeordnet sind. Eine solche Anordnung ist in den beiden weiteren Ausführungsbeispielen vorgesehen.
Beim Ausführungsbeispiel gemäss den Fig. 2 und 3 ist ein Hohlkörper 11 vorgesehen, dessen Hohlraum 10 die Form eines iänglichen Rotationseilipsoids hat. Der Hohlkörper besteht aus Kupfer und ist auf der Innenseite 8 zur Verbesserung der Strahlungsreflektion im Infraroten vergoldet. Der Hohlkörper
11 ist mit zwei einander diametral gegenüberliegenden Durchbrechungen 12 bzw. 13 versehen, deren gemeinsame Achse 9 mindestens angenähert durch den einen Brennpunkt des Ellipsoides geht. Der Faden
16 gelangt durch die Eintrittsöffnung 12 in den Hohlraum 10 und verlässt diesen wieder durch die Austrittsöffnung 13. Zur Verhinderung der thermischen Beeinflussung des Strahlungsempfängers durch die vom Faden mitgerissene Luftströmung dient eine Wand 18 aus strahlungsdurchlässigem Material z.
B. Calciumfluoridwelche den Teil des Hohlraums 10 in dem sich der Faden befindet, vom anderen Teil trennt, in welchem ein thermischer Detektor 14 mit seiner elektrischen Zuführungsleitung
15, die auch als Halterung dient, angeordnet ist.
Der Detektor 14 befindet sich mindestens angenähert im anderen Brennpunkt des Ellipsoids und kann entweder in einem Vakuum oder auch in einem Schutzgas angeordnet sein. Die Eintrittsöffnung 12 und die Austrittsöffnung 13 sind beide mit einer Strahlungsblende 19 resp. 20 versehen, welche den Eintritt von äusseren Strahlungen durch die öffnun- gen 12 und 13 auf ein Minimum reduziert. Der Hohl körper 11 ist durch eine in der Achse 9 liegende
Querebene in zwei Teile 25 und 26 unterteilt, welche durch ein Scharnier 22 schwenkbar verbunden sind, dessen Achse 21 in der durch die Achse 9 gehenden
Querebene liegt.
Hierdurch kann der Hohlkörper 11 aufgeklappt werden, dam.it das Temperaturmessgerät an einer laufenden Textilmaschine um den in Längs richtung laufenden Faden 16 geschlungen werden kann, ohne diesen in seiner Bewegung zu stören.
Das Ausführungsbeispiel gemäss den Fig. 4 und 5 unterscheidet sich von demjenigen gemäss den Fig. 2 und 3 lediglich dadurch, dass der Hohlkörper 11 statt in der Querrichtung durch eine Längsmittelebene 17 in zwei Teile getrennte ist, die nach erfolgter Montage fest miteinander verbunden worden sind, wobei der Faden 16 durch einen Schlitz 23 in seine normale Stellung eingeführt wird. Die Trennwand 24 hat die Form eines dem Schlitz 23 entsprechend geschlitzten Hohlzylinders, welcher den in Richtung der Längsachse desselben verlaufenden Faden 16 mit genügendem Abstand umgibt, so dass sich dieser frei bewegen kann. In gleicher Weise sind auch die Strahlungsblenden 19 und 20 mit einem Schlitz versehen, damit der Faden 16 eingeführt werden kann.
Als Strahlungsdetektor kann bei allen Ausführungsformen ein photoelektrischer oder ein thermischer Strahlungsdetektor verwendet werden. Der thermische Strahlungsempfänger kann ein Element sein, das unter dem Einfluss der Infrarotstrahiung eine Temperaturerhöhung erfährt, die mit elektrischen Mitteln, z. B. einem temperaturabhängigen Widerstand, bzw. Thermoelement, festgestellt wird. Die Zusatzorgane wie Verstärker und Anzeige-Instrument sind hier weder beschrieben noch dargestellt, da Esie in der üblichen Weise verwendet werden. Eine Erhöhung der Empfindlichkeit der Vorrichtung kann ferner dadurch erreicht werden, dass der Strahlungsempfänger eine selektive Empfindlichkeit für die Strahlung in einem beschränkten Bereich von z. B.
5 bis 8 p aufweist. Im Falle eines thermischen Empfängers wird dies dadurch erreicht, dass der Empfänger zunächst reflektierend ausgebildet ist, z. B. durch eine Goldschicht, und dass die reflektierende Oberfläche dann mit einem selektiv absorbierenden Überzug (z. B. aus Nylon) versehen wird.
Method and device for measuring the temperature of thread-like structures moving in the longitudinal direction
In various processes in the textile industry and in particular when processing threads made of synthetic material, it is important to know the exact temperature of a moving thread.
Even with the melting point. In a method one would like to be able to measure the temperature profile of the threads at the exit of the spinnerets; Furthermore, one wants to be able to monitor the temperature of the thread in the stretching machines, in which the thread is first heated up before stretching, and finally with the crimping method according to the thread twisting method, with which the thread is heated while it wears a twist : If the encoder is turned up, you want to be able to monitor the temperature of the thread while the machine is running. Various methods of measuring the temperature using fine probes that touch the thread are known.
In most cases, however, the touch of the thread by a foreign de, element is a disadvantage in that the thread is damaged or the course of a certain process is disrupted. Compared to this contact method, a radiation pyrometric contactless temperature method is much more advantageous.
It is known to measure the temperature of objects by measuring the intensity of the infrared radiation they emit. In the range of temperatures between 500 and 3000 C, which are particularly suitable for textiles made of synthetic material, there is practically no emission of radiation in the visible range, so that a measurement in the infrared radiation range is preferably in the so-called medium wavelength range - is instructed.
In practice it turns out that all textile materials, plastics, lacquers and similar organic products have strong emissions in the wavelength range between 5 and 8 W, which is very favorable for a temperature measurement for the temperature range mentioned. There are two known ways of measuring the temperature of extensive objects: either a device with focusing optics is used in which the object is optically imaged on the detector for the desired wavelength range, or it is, especially with larger flat objects, a non-focusing device is used, in which a radiation detector is arranged in the vicinity of the emitted surface in such a way that it has the surface to be measured in front of it at a relatively large solid angle.
For the measurement of the thread temperature at the height of 2000 C on a textile machine, in which the thread can execute transversal oscillations around a position of equilibrium in addition to a rapid movement in the longitudinal direction, with amplitudes that are more than ten times its own diameter, none of the known methods can can be applied successfully. With a focusing instrument there are great difficulties in imaging the moving thread on a detector; on the other hand, in the case of the non-focusing device, the radiation intensity picked up by the detector is too weak in the case of a thread.
The invention aims to avoid the disadvantages of the known methods and accordingly relates to a method and a device for measuring the temperature of thread-like structures moving in the longitudinal direction by radiation-pyrometric means. The method is characterized in that the thread-like structure is passed through a hollow body which is reflective on the inside and contains a radiation receiver, the hollow body enclosing the thread-like structure in such a way that the radiation receiver emits a substantial part of the radiation emitted by the latter over the enclosed length and within the hollow body absorbs reflected thermal radiation.
The thread-like structure can be guided through a hollow body with an insertion device, with the aid of the latter being brought into a position with respect to the radiation receiver which ensures the full radiation-reflecting effect. It can e.g. B. a hollow body provided with a hinged part can be used, which is arranged around the thread-like structure moving continuously in its longitudinal direction without disturbing the same in its movement.
The device for carrying out the method is characterized according to the invention in that it consists of a hollow body reflecting on the inside, which has one and exit openings for the thread-like structure and a radiation receiver on the inside.
The method according to the invention is explained in more detail below with reference to the drawing, which shows exemplary embodiments of the device according to the invention:
Fig. 1 shows the first embodiment in section parallel to the thread axis.
Fig. 2 shows the second embodiment in the vertical central longitudinal section.
FIG. 3 shows a section along the line III-III in FIG. 2.
FIG. 4 shows the third exemplary embodiment in the same representation as FIG.
FIG. 5 shows a section along the line V-V in FIG. 4.
The device according to FIG. 1 has a hollow body, the cavity of which is spherical and the inner surface 1 of which is reflective. The hollow body is provided with two diametrically opposed openings 2 and 3, respectively. A radiation receiver 4, which is surrounded by a radiation-absorbing surface 5, is arranged centrally between these on the inner surface 1.
For operation, a textile thread 6 is inserted through the inlet opening 2 into the hollow sphere and leaves the same through the outlet opening 3. The openings 2 and 3 have a diameter which allows the thread 6 to oscillate freely with the amplitude 7.
To estimate the sensitivity of the device, it is initially assumed that the hollow body does not produce any focusing of the radiation from the thread onto the detector, since its hollow space has the shape of a diffuse reflecting sphere with the radius r. A statistical balance of the radiation Io emitted by the thread is carried out; Such a statistical consideration is of course only important for calculating orders of magnitude.
Let I be the total radiation of the thread inside the hollow body after taking into account the reflection, as seen on the radiation receiver. It can be proven that the following statistical relationship applies to this total radiation:
Fd + Fp Fl.
1 = 1
V + Fp 'aF denote: F (1 = the area of the radiation receiver the radiation-absorbing area Fr = the reflective inner surface of the hollow body a = the emission coefficient of the area F, ..
This formula provides the means for calculating the optimal size of the hollow sphere to be used. The relationship applies: F.> Fd, Fp.
Furthermore, for F,. approximated the relationship:
Fr = 4 is r2.
The intensity 1 emitted by the thread is, on the other hand, proportional to the length of the thread located inside the hollow body, that is to say proportional to r. From this connection, an optimal radius r0 of the reflective inner surface 1 of the hollow body can be found.
Fp + F rD 1 /
47ra
This rough calculation gives approximately the optimal dimensions of the hollow body for each practical case.
For the construction of the device, however, the self-emission of the reflective surface 1 should not be neglected. Since it is a spherical surface, in which the various other surfaces can be neglected as a first approximation, the surface behaves like a black body with the temperature of the reflector. In a first approximation z. B. in the case of using a thermal radiation receiver, it can be said that the radiation power received by the radiation receiver, applied essentially from the sum of the radiation of the thread and the much larger natural radiation of the reflective surface Fr, is in equilibrium with the radiation emitted by the radiation receiver itself.
It turns out that the temperature difference between the thermal radiation receiver and reflector, which is decisive for the measurement, depends to a higher power on the filament temperature on the one hand, but also on the reflector temperature on the other hand. The temperature of the reflector surface must therefore be kept constant, which can be achieved in that the hollow body is made of a metal that conducts heat well and is also provided with a temperature stabilization. This can from a temperature located in the hollow body z. B. a bimetal, which with an actuator, z. B. a contact of a heating device, e.g. B. is connected to an electric heating coil.
An improvement in the ratio of the radiation intensity from the thread to the inherent radiation of the reflector can be achieved by a certain focusing of the radiation from the thread onto the detector. A sharp image of the thread on the entire detector surface must be avoided in order to ensure constant sensitivity of the device, even if the thread moves laterally within its range.
In practice, such a partial focusing can be achieved in that the hollow body cavity is given the shape of an elongated ellipsoid of revolution in which the thread is arranged approximately in the vicinity of one focal point and the radiation receiver is arranged in the other focal point. Such an arrangement is provided in the two further exemplary embodiments.
In the embodiment according to FIGS. 2 and 3, a hollow body 11 is provided, the hollow space 10 of which has the shape of an elongated ellipsoidal ellipsoid. The hollow body is made of copper and is gold-plated on the inside 8 to improve the radiation reflection in the infrared. The hollow body
11 is provided with two diametrically opposite openings 12 and 13, the common axis 9 of which passes at least approximately through one focal point of the ellipsoid. The string
16 passes through the inlet opening 12 into the cavity 10 and leaves it again through the outlet opening 13. To prevent the radiation receiver from being thermally influenced by the air flow entrained by the thread, a wall 18 made of a radiation-permeable material, for.
B. calcium fluoride which separates the part of the cavity 10 in which the thread is located from the other part in which a thermal detector 14 with its electrical feed line
15, which also serves as a holder, is arranged.
The detector 14 is located at least approximately in the other focal point of the ellipsoid and can be arranged either in a vacuum or in a protective gas. The inlet opening 12 and the outlet opening 13 are both provided with a radiation diaphragm 19, respectively. 20, which reduces the entry of external radiation through the openings 12 and 13 to a minimum. The hollow body 11 is through a lying in the axis 9
The transverse plane is divided into two parts 25 and 26, which are pivotally connected by a hinge 22, the axis 21 of which goes through the axis 9
Transverse plane lies.
In this way, the hollow body 11 can be opened up so that the temperature measuring device on a running textile machine can be looped around the thread 16 running in the longitudinal direction without disturbing its movement.
The embodiment according to FIGS. 4 and 5 differs from that according to FIGS. 2 and 3 only in that the hollow body 11 is separated into two parts instead of in the transverse direction by a longitudinal center plane 17, which are firmly connected to one another after assembly the thread 16 being inserted through a slot 23 to its normal position. The partition wall 24 has the shape of a hollow cylinder correspondingly slotted to the slot 23, which surrounds the thread 16 running in the direction of the longitudinal axis of the same at a sufficient distance so that it can move freely. In the same way, the radiation diaphragms 19 and 20 are also provided with a slot so that the thread 16 can be inserted.
A photoelectric or a thermal radiation detector can be used as the radiation detector in all embodiments. The thermal radiation receiver can be an element which, under the influence of infrared radiation, experiences a temperature increase that is generated by electrical means, e.g. B. a temperature-dependent resistor or thermocouple is determined. The additional organs such as the amplifier and display instrument are neither described nor shown here, since they are used in the usual way. An increase in the sensitivity of the device can also be achieved in that the radiation receiver has a selective sensitivity for the radiation in a limited range of e.g. B.
5 to 8 p. In the case of a thermal receiver, this is achieved in that the receiver is initially designed to be reflective, e.g. By a layer of gold, and that the reflective surface is then provided with a selectively absorbent coating (e.g. made of nylon).